Высоковольтный эквивалент нагрузки

Конструкции любых блоков питания, источников тока для любых назначений. Микроконтроллеры и все, что с ними связано

Модераторы: poty, Алаев Ян

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

Высоковольтный эквивалент нагрузки

#1

Сообщение Алаев Ян » 10 ноя 2014, 00:20

Каждый раз, разрабатывая то или иное устройство, я задумывался - а не плохо бы иметь такое устройство, чтобы заранее оценить, как поведет себя блок питания или трансформатор при той или иной нагрузке, как будут греться радиаторы?, не "зарычат" или не "загудят" ли трансформаторы при такой нагрузке??? И главное неудобство - все источники питания разные, у всех свои параметры и для каждого из них нужна своя нагрузка. Выходом из такой ситуации может быть применение полевого транзистора в режиме фиксированного тока, по сути, полевой транзистор сам создает необходимое сопротивление, определяемое выходным напряжением тестируемого источника питания и задаваемым током. Идея стара как мир, а вот все времени нет и нет сделать что-то подобное. Но, наконец, свершилось. Решился. Так как это просто необходимый модуль для тестирования источников питания и трансформаторов, необходимый для экспериментов и лабораторных исследований. Учитывая, что это лабораторный модуль, я не особо вдавался во внешнее оформление и схему ориентировал на ту комплектацию, которая мне была удобна. Поэтому, многие детали выбраны с позиции - есть в наличии и не хочется тратить лишних денег.

Итак, зачем это нужно??? Главная цель - проверка работоспособности источников питания и трансформаторов под различной нагрузкой (оцениваем степень "просадки" выходного напряжения под заданной нагрузкой, уровень шума тестируемого БП, количество выделяемого им тепла).
2014-11-09 20.19.40.jpg
Высоковольтный эквивалент нагрузки
2014-11-09 20.20.56.jpg
Вид сзади. Высоковольтный эквивалент нагрузки
Эквивалент нагрузки (500В, 500 мА).JPG
Принципиальная схема
В двух словах поясню принцип работы схемы. Питание осуществляется от внешнего источника питания 24В (мне так было удобно). Маломощный линейный стабилизатор 78L15 формирует питание 15В для ОУ, который в свою очередь управляет высоковольтными полевыми транзисторами IRF840. Источник опорного напряжения REF195 формирует стабильные 5В, которые через делитель напряжения (потенциометр) подаются на входы ОУ, тем самым задавая ток через токоизмерительный резистор 10 Ом. Данная схемотехника рассчитана на ток 0-500 мА. Заменив токоизмерительный резистор мы можем установить любой желаемый ток. Для повышения максимальной выходной мощности модуля нагрузки применено параллельное соединение силовых транзисторов. Выравнивание токов через транзисторы осуществляется с помощью резисторов номиналом 4 Ом. Для наглядности, установлен китайский миллиамперметр 0-2А, требующий внешнего питания 5В, которое осуществляется от дополнительного стабилизатора напряжения 7805. Важный момент - цепи питания миллиамперметра и цепи измерения тока гальванически связаны, поэтому установка мА возможна только относительно земляной шины модуля. На обратной стороне радиатора установлен охлаждающий вентилятор, работа которого контролируется биметаллическим термостатом на 50 °С. Включение вентилятора осуществляется при достижении этой температуры, когда нормальнозамкнутые контакты термостата размыкаются, тем самым подавая управляющее напряжение на регулирующий транзистор IRLL110. К сожалению, у меня не было в наличии вентиляторов с рабочим напряжением 24В, поэтому пришлось установить балластный резистор 82 Ом, роняющий на себе около 12В питающего напряжения.

В ближайшее время буду тестировать работу этого модуля на блоке питания лампового усилителя, очень любопытно проверить его эффективность и удобство в работе. Посмотрим, что из этого выйдет.
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3277
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 3 раза
Поблагодарили: 14 раз

#2

Сообщение poty » 10 ноя 2014, 15:24

Если позволите, несколько замечаний:
1. Исходя из фотографий можно судить о том, что монтаж предполагается точка-точка. В этом случае, учитывая высокий коэффициент усиления и широкополосность MOSFET-ов, провода к затвору + ёмкость затвора будут организовывать колебательный контур высокой добротности. Обычно в затворах ставят сопротивления, в зависимости от требуемой скорости переключения - 50 Ом - 10кОм.
2. REF195 - крутая слишком для такого применения. Ну, раз была, то почему бы не применить. Привожу выдержку из мануала:
Although the REF19x family of references is capable of stable operation with capacitive loads exceeding 100 μF, a 1 μF capacitor is sufficient to guarantee rated performance. The addition of a 0.1 μF ceramic capacitor in parallel with the bypass capacitor improves load current transient performance. For best line voltage transient performance, it is recommended that the voltage inputs of these devices be bypassed with a 10 μF electrolytic capacitor in parallel with a 0.1 μF ceramic capacitor.
Итак, с моей точки зрения, нагрузка в виде C3 - непомерная для такого тока потребления (5В/10к=500мкА) и REF195. Думаю, 1мкФ плёночный будет здесь в самый раз.
Второй момент относится к входному конденсатору. Как правильно: разделить шунтирующие конденсаторы между разными нагрузками. В данном случае, удвоить группу C4-C5 и разместить одну рядом с выводами питания операционника, вторую - рядом с входом IC1. Учитывая низкие токи допускаю, что на входе REF195 достаточно реплики C4. Но лучше перебдеть, как говорится...
3. Пульсации опорного напряжения, вообще-то, всегда плохо. Но в данной ситуации они будут бесконечно малы и не повлияют никак на точность работы схемы. Однако, существует ещё такая вещь, как броски регулировки потенциометра P1, которые могут быть значительными (в моменты регулировки). Предлагаю включить с его движка на массу конденсатор 1-10мкФ. Побочным эффектом будет уменьшение пульсаций и, хоть нам это не нужно, но почему бы не иметь ещё более чистое питание.
4. Применение параллельных MOSFET, имитирующих нагрузку, оправдано. Только, с моей точки зрения, либо нужно упрощать всё до уровня "один ОУ управляет двумя транзисторами" (высокочастотность здесь не требуется, а на постоянном токе и НЧ этот момент непринципиален), либо уж и балансировку делать активную. Я так понимаю, применены два ОУ в одном корпусе, поэтому первый вариант упрощения не особо что либо упрощает.
По второму варианту - R5 дублируется в цепь истока Т2 (с удвоением номинала и уполовиниванием мощности). Резисторы R4, R6 и перемычка их соединяющая - убираются. Вывод 6 ОУ отсоединяется от вывода 2 и подсоединяется к образованной дублёром R5 и истоком Т2 цепи. Т.о., на 2 ОУ подаётся одно опорное напряжение (с потенциометра P1). На каждый ОУ отдельно, с сенсора тока того транзистора, которым он управляет, подаётся контрольное напряжение. В этом случае, ток через транзисторы будет гарантированно располовинен. Да, нижние концы R5 и его дублёра соединяются вместе и как нарисовано сейчас - идут на амперметр, т.о., амперметр меряет суммарный ток, как и ранее.
5. Я бы R1 поставил на каждый вход ОУ. В данной ситуации это не так принципиально, но... Кроме того, я бы поставил встречно диоды между входами каждого ОУ - на высоком напряжении, с возможными пиками, это нелишняя предосторожность. Чтобы не выгорело полсхемы, желательно поставить стабилитроны с истоков T1, T2 на землю.
6. C7 - полезная штука для удаления возбуждений. Но здесь надо ставить не электролит. Думаю, здесь 1-2мкФ будет достаточно. Более того, этот конденсатор, при наличии больших пульсаций напряжения, будет отводить ток этих пульсаций в обход измерителя на землю. Чтобы этого не было, нижний конец C7 лучше подключить на точку соединения R5 и амперметра. Если использовать решение п.4, то его придётся поставить параллельно каждому R5 отдельно.
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

#3

Сообщение Алаев Ян » 10 ноя 2014, 15:37

poty писал(а):1. Исходя из фотографий можно судить о том, что монтаж предполагается точка-точка. В этом случае, учитывая высокий коэффициент усиления и широкополосность MOSFET-ов, провода к затвору + ёмкость затвора будут организовывать колебательный контур высокой добротности. Обычно в затворах ставят сопротивления, в зависимости от требуемой скорости переключения - 50 Ом - 10кОм.
Но ведь в данной схеме у меня нет режима переключений. Транзистор находится в активном режиме. Ему все равно нужны резисторы в затворах? Если да, то какого номинала лучше установить?
poty писал(а):2. REF195 - крутая слишком для такого применения. Ну, раз была, то почему бы не применить. Привожу выдержку из мануала:
Although the REF19x family of references is capable of stable operation with capacitive loads exceeding 100 μF, a 1 μF capacitor is sufficient to guarantee rated performance. The addition of a 0.1 μF ceramic capacitor in parallel with the bypass capacitor improves load current transient performance. For best line voltage transient performance, it is recommended that the voltage inputs of these devices be bypassed with a 10 μF electrolytic capacitor in parallel with a 0.1 μF ceramic capacitor.
Итак, с моей точки зрения, нагрузка в виде C3 - непомерная для такого тока потребления (5В/10к=500мкА) и REF195. Думаю, 1мкФ плёночный будет здесь в самый раз.
Второй момент относится к входному конденсатору. Как правильно: разделить шунтирующие конденсаторы между разными нагрузками. В данном случае, удвоить группу C4-C5 и разместить одну рядом с выводами питания операционника, вторую - рядом с входом IC1. Учитывая низкие токи допускаю, что на входе REF195 достаточно реплики C4. Но лучше перебдеть, как говорится...
ок, принимаю
poty писал(а):3. Пульсации опорного напряжения, вообще-то, всегда плохо. Но в данной ситуации они будут бесконечно малы и не повлияют никак на точность работы схемы. Однако, существует ещё такая вещь, как броски регулировки потенциометра P1, которые могут быть значительными (в моменты регулировки). Предлагаю включить с его движка на массу конденсатор 1-10мкФ. Побочным эффектом будет уменьшение пульсаций и, хоть нам это не нужно, но почему бы не иметь ещё более чистое питание.
ок, принимаю
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3277
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 3 раза
Поблагодарили: 14 раз

#4

Сообщение poty » 10 ноя 2014, 15:45

Алаев Ян писал(а):Но ведь в данной схеме у меня нет режима переключений. Транзистор находится в активном режиме. Ему все равно нужны резисторы в затворах? Если да, то какого номинала лучше установить?
В этой схеме есть обратная связь, для данного применения она - отрицательная, т.е. фаза разворачивается на 180 градусов. Наличие обратной связи значит, что на определённой частоте фазовые сдвиги могут добавить к изначальной фазе, допустим, чуть больше 90 градусов и превратить отрицательную обратную связь в положительную. Практически нелимитированное усиление ОУ и такое же у MOSFET - опасная штука для таких фокусов.
Более того, не упомянул об этом раньше, если мы ограничиваем частотные свойства этого агрегата, то лучше поставить керамический конденсатор малой ёмкости (15-50пФ) между выходом каждого ОУ и его инвертирующим входом.
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

#5

Сообщение Алаев Ян » 10 ноя 2014, 15:47

poty писал(а):4. Применение параллельных MOSFET, имитирующих нагрузку, оправдано. Только, с моей точки зрения, либо нужно упрощать всё до уровня "один ОУ управляет двумя транзисторами" (высокочастотность здесь не требуется, а на постоянном токе и НЧ этот момент непринципиален), либо уж и балансировку делать активную. Я так понимаю, применены два ОУ в одном корпусе, поэтому первый вариант упрощения не особо что либо упрощает.
По второму варианту - R5 дублируется в цепь истока Т2 (с удвоением номинала и уполовиниванием мощности). Резисторы R4, R6 и перемычка их соединяющая - убираются. Вывод 6 ОУ отсоединяется от вывода 2 и подсоединяется к образованной дублёром R5 и истоком Т2 цепи. Т.о., на 2 ОУ подаётся одно опорное напряжение (с потенциометра P1). На каждый ОУ отдельно, с сенсора тока того транзистора, которым он управляет, подаётся контрольное напряжение. В этом случае, ток через транзисторы будет гарантированно располовинен. Да, нижние концы R5 и его дублёра соединяются вместе и как нарисовано сейчас - идут на амперметр, т.о., амперметр меряет суммарный ток, как и ранее.
да, идея хорошая. Изначально я планировал одним ОУ управлять двумя полевиками сразу, но когда речь зашла о применении какого-нибудь дешевого ОУ, под руку попался LM358, а там два ОУ на борту, поэтому я решил выходы каждого ОУ пустить независимо на свой транзистор. Пожалуй, Вы правы, применение двух токочувствительных резисторов более оправданно, чем применение двух выравнивающих резисторов. Беру на вооружение Вашу идею.
poty писал(а):5. Я бы R1 поставил на каждый вход ОУ. В данной ситуации это не так принципиально, но... Кроме того, я бы поставил встречно диоды между входами каждого ОУ - на высоком напряжении, с возможными пиками, это нелишняя предосторожность.
ок, принимаю
poty писал(а):Чтобы не выгорело полсхемы, желательно поставить стабилитроны с истоков T1, T2 на землю.
не совсем понимаю зачем?
poty писал(а):6. C7 - полезная штука для удаления возбуждений. Но здесь надо ставить не электролит. Думаю, здесь 1-2мкФ будет достаточно. Более того, этот конденсатор, при наличии больших пульсаций напряжения, будет отводить ток этих пульсаций в обход измерителя на землю. Чтобы этого не было, нижний конец C7 лучше подключить на точку соединения R5 и амперметра. Если использовать решение п.4, то его придётся поставить параллельно каждому R5 отдельно.
ок, принимаю
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3277
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 3 раза
Поблагодарили: 14 раз

#6

Сообщение poty » 10 ноя 2014, 16:36

Алаев Ян писал(а):
poty писал(а):Чтобы не выгорело полсхемы, желательно поставить стабилитроны с истоков T1, T2 на землю.
не совсем понимаю зачем?
Берём вариант появления импульса, допустим, на затворе. Например, переходные процессы во время включения питания. Если высокое на полевиках уже есть, открытый полевик передаст это высокое полностью на R5. А туда включены входы ОУ, выход REF195...
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

#7

Сообщение Алаев Ян » 10 ноя 2014, 17:15

ок, убедили! :-)

Внес изменения в схему. Не отразил в ней только резисторы на все входы - не уверен, что нужны резисторы со стороны опорного напряжения. Зачем они там на входах ОУ??? Кто там может навредить ОУ??? И не внес на схему конденсаторы между выходом и инвертирующим входом ОУ.
Эквивалент нагрузки (500В, 500 мА).JPG
Принципиальная схема. Вер. 2

[Расширение spl7 было запрещено, вложение больше недоступно.]

Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3277
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 3 раза
Поблагодарили: 14 раз

#8

Сообщение poty » 10 ноя 2014, 22:16

Ну, гораздо лучше. И минимальное напряжение тоже будет снижено.
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

#9

Сообщение Алаев Ян » 11 ноя 2014, 14:29

Пришел к выводу, что стабилитроны D5 и D6 могут быть пробиты высоковольтным выбросом, поэтому их лучше заменить на мощные защитные диоды, специально предназначенные для пропускания через себя больших токов. Я применил диоды 1,5КЕ9,1 с напряжением пробоя 9.1В.
Littelfuse_TVS-Diode_1.5KE.pdf
1,5KE Series datasheet
(985.22 КБ) 40 скачиваний
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Ответить